專利名稱：氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬陶瓷材料領域，特別涉及一種晶間氣孔少、抗彎強度和斷裂韌性高的氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料及其制備方法。
背景技術：
氧化鋁陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐熱性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，然而其本身的脆性限制了應用范圍。目前已開發(fā)了多種氧化鋁基陶瓷材料的增韌方法，例如，將鋁、鎳、鉻等金屬顆粒彌散在氧化鋁中，通過金屬顆粒的橋聯(lián)和塑性變形消耗能量，達到增韌效果。但這種增韌方式的結果是氧化鋁陶瓷材料的強度和硬度降低，電絕緣性和化學穩(wěn)定性變差。利用SiC晶須增韌、ZrO2相變增韌、TiC顆粒增韌以及納米材料增韌，可以收到較好的增韌效果，但均有不同程度的缺陷。晶須增韌難以解決晶須毒性及其在基體中的均勻分布；ZrO2在受應力作用下產生馬氏體相變的相變增韌，其增韌效果隨溫度升高急劇下降。采用以上增韌方式得到的陶瓷材料，不但成本高，材料硬度較低，而且強化相與基體材料氧化鋁之間濕潤性差、容易發(fā)生界面反應，造成材料晶間氣孔多、結合不良等缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種生產成本低、硬度高、晶間氣孔少、抗彎強度和斷裂韌性高的氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料及其制備方法。
本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料，其特征是各組分的質量百分比為氧化鋁96-99.5％、透輝石0.5-4％。
上述氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料，其特征是透輝石中各化學組分的質量百分比為二氧化硅(SiO2)54-56％，氧化鈣(CaO)22.5-24％，氧化鎂(MgO)17-18％，余為雜質。
上述氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料的制備方法，其特征包括以下步驟1)、配料按氧化鋁96-99.5％、透輝石0.5-4％的質量百分比準備原料；2)、球磨將步驟1)中的氧化鋁、透輝石混合球磨，球磨后的粉料通過100目篩，制得混合粉體；
3)、燒結將混合粉體材料裝入石墨模具中模壓成型，在氮氣氣氛下熱壓燒結，燒結溫度1400-1500℃，燒結壓力25-30MPa，燒結時間1小時，保溫保壓30-40分鐘。
本發(fā)明采用透輝石作為增韌補強相，在燒結過程中，由于物理變化或化學反應，坯體內產生液相，在表面張力作用下，液相流動進入氣孔。當Al2O3等固相被液相完全浸潤時，晶粒間的遷移只通過液相發(fā)生。液相阻礙晶粒生長，使得晶粒尺寸細小，分布均勻，提高了材料的致密度和力學性能，也降低了燒結溫度。MgO可以降低Al2O3的潤濕溫度，SiO2有利于提高液相流動性。當液相體積足以填充坯體中所有的空隙時，可以得到致密、無孔的陶瓷產品。使用透輝石作為增韌補強相的目的有兩個一是形成液相燒結，減少晶間氣孔，加速燒結過程，降低燒成溫度；二是少量的透輝石可起到晶種的作用，使得Al2O3晶粒生長更加均勻，改變材料微觀結構，提高材料性能。例如透輝石中的MgO可在Al2O3晶粒間形成鎂鋁尖晶石薄層，將Al2O3晶粒包圍，防止其長大，從而提高材料的抗彎強度。由于透輝石的成本較低，因而找到了一種低成本制造高性能Al2O3基結構陶瓷的方法。該陶瓷復合材料尤其適合于制作對耐磨性要求較高的模具、噴沙嘴、軸承等零部件。該復合材料制備工藝簡單、原材料成本低，生產投資少。
具體實施例方式下面給出本發(fā)明的三個最佳實施例實施例一將氧化鋁(工業(yè)純)、透輝石按氧化鋁99％、透輝石1％的質量百分比準備原料。透輝石中各化學組分的質量百分比為二氧化硅(SiO2)55％，氧化鈣(CaO)23％，氧化鎂(MgO)18％，余為雜質。采用硬質合金球混合球磨，球磨后的粉料通過100目篩，制得混合粉體。將混合粉體裝入石墨模具中模壓成型，在氮氣氣氛下熱壓燒結，燒結溫度1450℃，燒結壓力30MPa，燒結時間1小時，保溫30分鐘。制得的氧化鋁-透輝石陶瓷復合材料的維氏硬度為HV18.64GPa，抗彎強度427MPa，斷裂韌性4.26MPa·m1/2。經掃描電鏡檢測，沒有發(fā)現(xiàn)晶間氣孔。
實施例二其它同實施例一，不同之處是氧化鋁、透輝石按氧化鋁98％、透輝石2％的質量百分比準備原料，透輝石中各化學組分的質量百分比為二氧化硅(SiO2)56％，氧化鈣(CaO)24％，氧化鎂(MgO)18％，余為雜質。燒結溫度1500℃，燒結壓力25MPa，保溫40分鐘，制得的氧化鋁-透輝石陶瓷復合材料的維氏硬度HV18.17GPa，抗彎強度443MPa，斷裂韌性4.38MPa·m1/2。
實施例三其它同實施例一，各組分質量百分比為氧化鋁(純度為99％)、透輝石按氧化鋁96％、透輝石4％的質量百分比準備原料。透輝石中各化學組分的質量百分比為二氧化硅(SiO2)54％，氧化鈣(CaO)24％，氧化鎂(MgO)18％，余為雜質。球磨機中球磨40小時，經真空干燥后用100目篩篩選。熱壓工藝為在1500℃的溫度下加壓25Mpa，在氮氣保護條件下熱壓燒結，保溫35分鐘。制得的氧化鋁-透輝石陶瓷復合材料的維氏硬度HV17.40GPa，抗彎強度356MPa，斷裂韌性4.66MPa·m1/2。
權利要求
1.氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料，其特征是各組分的質量百分比為氧化鋁96-99.5％、透輝石0.5-4％。
2.根據(jù)權力要求1所述的氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料，其特征是透輝石中各化學組分的質量百分比為二氧化硅(SiO2)54-56％，氧化鈣(CaO)22.5-24％，氧化鎂(MgO)17-18％，余為雜質。
3.根據(jù)權力要求1或2所述的氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料的制備方法，其特征包括以下步驟1)、配料按氧化鋁96-99.5％、透輝石0.5-4％的質量百分比準備原料；2)、球磨將步驟1)中的氧化鋁、透輝石混合球磨，球磨后的粉料通過100目篩，制得混合粉體；3)、燒結將混合粉體材料裝入石墨模具中模壓成型，在氮氣氣氛下熱壓燒結，燒結溫度1400-1500℃，燒結壓力25-30MPa，燒結時間1小時，保溫保壓30-40分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬陶瓷材料領域，涉及一種晶間氣孔少、抗彎強度和斷裂韌性高的氧化鋁/透輝石陶瓷復合材料及其制備方法。該復合材料各組分的質量百分比為氧化鋁96－99.5％、透輝石0.5－4％。制備方法是首先采用硬質合金球將原料混合球磨后，使粉料通過100目篩，制得混合粉體；再將混合粉體裝入石墨模具中模壓成型，在氮氣氣氛下熱壓燒結；燒結溫度1400－1500℃，燒結壓力25－30MPa，燒結時間1小時，保溫保壓30－40分鐘。該陶瓷復合材料尤其適合于制作對耐磨性要求較高的模具、噴沙嘴、軸承等零部件。該復合材料制備工藝簡單、原材料成本低，生產投資少。
文檔編號C04B35/622GK1762892SQ200510044288
公開日2006年4月26日 申請日期2005年8月22日 優(yōu)先權日2005年8月22日
發(fā)明者張希華, 張建華, 劉長霞, 李木森, 明鳳, 徐明剛 申請人:山東大學